Ли Смолин о времени и науке
В списке 100 самых выдающихся мыслителей мира, составленном в 2008 году журналом «Foreign Policy», Ли Смолин, — американский физик-теоретик, занимает 21-е место. Учёный родился в 1955 году в семье нью-йоркского инженера Майкла Смолина, с 1975 года, по окончании колледжа, учился в Гарвардском университете, где в 24 года защитил диссертацию по теоретической физике. В 1981—1983 годах работал в принстонском Институте перспективных исследований. С 2001 года профессор Смолин является ведущим сотрудником Института теоретической физики в Канаде.
Смолин в своих научных работах исследует возможность объединения квантовой гравитации, петлевой квантовой гравитации и теории струн в единую теорию. Различные аспекты этого объединения затрагивают космологию, основания квантовой механики и теорию элементарных частиц. Учёный является автором оригинальной идеи «размножения вселенных», называемой также теорией «космологического естественного отбора», согласно которой, «по ту сторону» чёрной дыры возникает новая вселенная, в которой фундаментальные физические постоянные могут отличаться от значений для вселенной, содержащей эту чёрную дыру. По утверждению Ли Смолина, разумные наблюдатели могут появиться в тех вселенных, где значения фундаментальных постоянных благоприятствуют появлению жизни, а сам процесс «размножения вселенных» напоминает мутации в ходе биологического естественного отбора. Подробное описание своей гипотезы Смолин опубликовал в книге «Жизнь Космоса», вышедшей в 1999 году.
По мнению Смолина, его модель лучше, чем антропный принцип, объясняет «тонкую настройку Вселенной, необходимую для появления жизни, так как имеет два важных преимущества:
1. В отличие от антропного принципа, модель Смолина имеет физические следствия, которые поддаются опытной проверке.
2. Жизнь во множественных вселенных возникает не случайным образом, а закономерно: больше «потомков» в ходе отбора имеют те вселенные, параметры которых приводят к возникновению большего числа чёрных дыр, и эти же параметры, по предположению Смолина, благоприятствуют возможности зарождения жизни.
Одним словом, весь необъятный Космос по гипотезе физика-теоретика похож на своеобразный роддом-инкубатор, где рождается, растёт и набирает силу множество иных вселенных, чтобы потом разлететься в разные стороны, в поисках собственного счастья. Это вам, уважаемые читатели, что-то напоминает. Ну, конечно же, типичную человеческую семью, в которой рождаются и растут дети, чтобы потом разлететься в разные стороны, и, уже в ином пространстве и времени заниматься своими делами.
Следует отметить, что немало физиков и философов отнеслись к такой идее Ли Смолина достаточно скептически. Оппонентом учёного выступил даже известный космолог Леонард Сасскинд (род. в 1940 г.) — американский физик-теоретик, один из создателей теории струн, преподающий сейчас в Стэнфордском университете, — который, тем не менее, оценил эту гипотезу достаточно высоко. Дискуссия Смолина и Сасскинда в 2004-ом году о роли антропного принципа в науке вызвала большой интерес научной общественности.
***
В 2014 году ООО “Издательство АСТ” выпустило книгу «Возвращение времени. От античной космогонии к космологии будущего», написанную Ли Смолиным. Русскоязычные читатели этой книги должны быть благодарны Андрею Ростовцеву — доктору физико-математических наук, за перевод «Вовращения времени» на русский язык. В предисловии книги имеется высказывание Алана Лайтмана (род. в 1948 г.), — американского физика, профессора Массачусетского технологического института, эссеиста и писателя, — о том, что автор этой книги является «одним из самых ярких ныне живущих теоретиков», а также что «Смолин подвергает сомнению не только теорию относительности Эйнштейна, но даже отношение к законам природы как к вечной, неизменной истине. Эта книга (смесь науки, философии и научной фантастики) увлекательная, будоражащая, невероятно смелая – и в той же степени спорная».
Джеймс Глик (род. в 1954 г.), — знаменитый популяризатор науки и автор таких мировых бестселлеров, как «Информация. История. Теория. Поток» и «Хаос. Создание новой науки», — утверждает, что «Ли Смолин пытается убедить нас, что время — это физическая реальность, а вечность, четырехмерный пространственно временной континуум — иллюзии. Его аргументы неожиданны и оригинальны. Я давно не читал ничего подобного».
И ведь действительно есть чему удивляться в этой книге не только учёным и иным знающим людям, но и таким рядовым обывателям, как делающий данную подборку материалов. Во-первых, Ли Смолин, оказался одним из немногих своих коллег, который не побоялся признаться в своих прошлых грехах, включающих и собственное былое отречение от времени. Во-вторых, учёный в общедоступной форме показал те проблемы, которые уже давно существуют на «кухне современной физики», о которых хозяева этой «кухни» предпочитают умалчивать. Впрочем, нечто подобное всегда делают культурные родители в своей семье, ограждая несовершеннолетних детей от нежелательной для них информации.
Ли Смолин в своей книге «Возвращение времени» осмелился написать, к примеру, о том, что «все затруднения физиков и космологов (от Большого взрыва до “теории всего”) восходят к проблеме природы времени, а признание его реальности может вывести фундаментальную науку на новый уровень».
Автор книги откровенно:
«. Когда я спрашиваю своих друзей, не имеющих отношения к науке, что они думают о времени, я часто слышу, что его течение обманчиво и на самом деле реально все: и истина, и справедливость, и божественное, и законы природы – и все это лежит за пределами понятия времени. Идея иллюзорности времени общепринята и в нашей философии, и в религии. Тысячелетиями люди мирились с тем, что жизнь полна трудностей, а человек смертен, и жили верой в возможность бегства в более реальный, вечный мир. Я тоже верил в нереальность времени. Я стал физиком потому, что в юности мечтал сбежать из мира людей, уродливого и жестокого, в чистый мир вневременных истин. Позднее я понял, как это прекрасно: быть человеком, и тяга к трансцендентному у меня прошла. Я перестал верить в то, что время нереально, и перешел в противоположный лагерь. Время не просто реально: мы не знаем ничего, что в той же степени, как время, приближало бы нас к пониманию природы. Теперь я убежден, что время – это ключ к квантовой теории и объединению последней с категориями пространства, времени, гравитации, а также с космологией. Мне кажется, чтобы придать смысл картине мироздания, складывающейся из результатов наблюдений, нам следует переосмыслить реальность времени. Это я и имею в виду под возвращением времени. «.
Ли Смолин предлагает по новому взглянуть на парадокс жизни во времени, считая, что время и его ход реальны и носят фундаментальный характер, а вечность и вечные истины – просто мифология. Новый подход к понятию времени предполагает, что реальность состоит лишь из того, что реально в каждый момент. Это радикальная идея. Она отрицает какое-либо вневременное существование или истины (будь то в сфере науки, этики, математики или государственного управления). Все они должны быть привязаны ко времени. Принятие времени также означает: наше видение того, как Вселенная устроена на базовом уровне, неполно.
Утверждая, что время реально, учёный имеет в виду и такое:
1. Все, что реально в нашей Вселенной, реально в определенный момент, один из ряда следующих друг за другом.
2. Прошлое было реальным, но теперь уже нет. Мы можем, однако, интерпретировать и анализировать прошлое, поскольку находим его следы в настоящем.
3. Будущего еще не существует, и оно открыто для нас. Можно делать обоснованные прогнозы, но точно предсказать будущее мы не в состоянии.
4. Всё, со временем, меняется. Даже законы природы. Они не вечны. Как и вообще всё, они реальны в настоящий момент и с течением времени изменяются.
Ли Смолин полагает, что ученые мыслят во времени, когда речь идет о новых идеях, требующихся для объяснения открываемых явлений, и о новом математическом аппарате для их описания. По мнению физика-теоретика, если мы мыслим вне времени, то считаем, что эти идеи существовали до того, как мы пришли к ним. Но если мы мыслим во времени, полагать это нет оснований. Контраст между мышлением во времени и вне времени очевиден во многих сферах. Мы мыслим вне времени, если, столкнувшись с технической или социальной проблемой, предполагаем, что возможные подходы к ее решению уже определены. Тот, кто считает, что верная экономическая либо политическая теория создана в позапрошлом веке, мыслит вне времени. Когда мы вместо этого видим цель политики в отыскании новых решений проблем, возникающих по мере развития общества, мы мыслим во времени. Мы мыслим во времени и если считаем, что прогресс в технике, общественном устройстве и науке заключается в предложении новых идей, стратегий и форм социальной организации.
Учёный утверждает, что если считать, что задача физики – это открытие математических уравнений, отражающих жизнь Вселенной, то, значит, верить, что истинное знание о Вселенной лежит за ее пределами. Это настолько привычная мысль, что мы не замечаем ее абсурдности. Если Вселенная – это все, что существует, то как может что либо лежать вне нее? А если мы принимаем реальность времени, то не может существовать уравнений, исчерпывающе описывающих мир. У него есть свойство, которое не поддается такому описанию: всегда наличествует некоторый момент времени.
Мыслить во времени, по мнению учёного, это не релятивизм, а форма реляционизма, утверждающего, что истинное описание чего либо состоит из указания его отношений с другими элементами данной системы. Истина может быть и временной, и объективной – когда речь идет об объектах, изобретенных либо появившихся в ходе эволюции или развития человеческой мысли. На личностном уровне мыслить во времени – значит принимать неопределенность как неизбежную цену того, что мы живы. Бороться с нестабильностью, отрицать неопределенность, не принимать риск, представлять, что жизнь можно организовать так, чтобы исключить опасность, – значит мыслить вне времени. Быть человеком – значит жить в опасности!
Ли Смолин ставит такие основные вопросы жизни человечества:
1. Можем ли справиться с капризами бытия и достичь состояния, в котором мы знали бы пусть не все, но достаточно для исчерпывающей оценки последствий своего выбора?
2. Можем ли мы вести по настоящему разумную жизнь?
И даёт на них такой ответ:
«Да, это было бы возможно, если время было бы иллюзией: ведь в мире, в котором время не играет никакой роли, не было бы принципиальной разницы между знанием о настоящем и о будущем. Просто нам потребовалось бы больше вычислений. Некоторые числа и формулы – вот и все, что понадобилось бы для достаточно точного предсказания. Но если время реально, то будущее нельзя вывести из знания о настоящем. В такой ситуации сюрпризы неизбежны: они следуют из нашего неведения о последствиях своих поступков. Сюрприз – неотъемлемая часть бытия. Природа может преподнести сюрпризы, для которых у нас нет достаточного количества знаний. Новое реально. С помощью воображения мы можем создавать нечто, для предсказаний чего нам недостаточно накопленных знаний. Именно поэтому для каждого важно, реально время или нет. Ответ на этот вопрос может изменить наше восприятие своего положения внутри во многих отношениях неизвестной Вселенной. «.
Смолин признаётся читателям в том, что путь к возвращению времени занял у него более 20 лет. Он этот путь, начался с осознания того, что законы природы должны эволюционировать. Учёный боролся с теорией относительности, квантовой теорией и теорией квантовой гравитации, которые привели его к изложенным в книге выводам. Сотрудничество и дискуссии с друзьями и коллегами оказались очень важны для Ли Смолина, но плодотворнее всего оказалось сотрудничество с Роберто Мангабейром Унгером (род. 24 марта 1947) — не физиком-теоретиком (!), а философом, социальным теоретиком, экономистом, политиком и одним из основоположников критической теории в праве, активно принимавшим участие в продвижении новых государственных и мировых альтернатив (о чём признался сам Ли Смолин в предисловии своей знаменитой книги, написанном в Торонто, в августе 2012-го года).
О чём говорит такое признание Ли Смолина? О многом, в том числе и о том, что учёный откровенно признаёт право не только физиков-теоретиков, но и людей иных специальностей давать свою оценку существованию, пониманию, роли и значению времени, в котором они жили, живут и будут жить.
По многочисленным интернетовским отзывам читателей этой книги можно сделать вывод о том, что коллективное сознание прочитавших «Возвращение времени. От античной космогонии к космологии будущего» поставило её в один ряд (и даже выше!) с не менее знаменитой книгой Стивена Хокинга «Краткая история времени. От Большого взрыва до черных дыр», изданной в 1988-ом году.
С учётом того, что книгу Ли Смолина (как и книгу С. Хокинга), написанную без формул и в доступном изложении, лучше всего прочитать самостоятельно, не пользуясь чужими трактовками её содержания, рекомендую воспользоваться такой ссылкой:
***
Ли Смолин является автором иных интересных книг, написанных в изложении, доступном для широкой аудитории. Одной из таких книг является и его знаменитая «Неприятности с физикой» («The Trouble with Physics»), опубликованная в 2006 году, и также вызвавшая большой интерес у миллионов читателей разных стран.
Этот интерес ещё больше подогревался тем, что в то время, как Смолин писал свои «Неприятности «, мировые СМИ многоголосно опиcывали подробности строительства Большого Адронного Коллайдера (БАКа или LHC — англ. Large Hadron Collider) — ускорителя заряженных частиц на встречных пучках, предназначенный для разгона протонов и тяжёлых ионов (ионов свинца) и изучения продуктов их соударений. Коллайдер построен в ЦЕРНе (Европейский совет ядерных исследований), находящемся около Женевы, на границе Швейцарии и Франции.
БАК является самой крупной экспериментальной установкой в мире и расположен в том же туннеле, который прежде занимал Большой электрон-позитронный коллайдер. Туннель с длиной окружности 26,7 км проложен под землёй на территории Франции и Швейцарии. Глубина залегания туннеля — от 50 до 175 метров, причём кольцо туннеля наклонено примерно на 1,4 % относительно поверхности земли. Для удержания, коррекции и фокусировки протонных пучков используются 1624 сверхпроводящих магнита, общая длина которых превышает 22 км. Магниты работают при температуре 1,9 K (-271 °C), что немного ниже температуры перехода гелия в сверхтекучее состояние. В строительстве и исследованиях участвовали и участвуют более 10 тысяч учёных и инженеров более чем из 100 стран.
Главная задача Большого Адронного Коллайдера — экспериментально и окончательно подтвердить достоверность многих теорий современной физики, в том числе и таких как Стандартная модель (СМ), — физическая теория, которая объединяет три из четырёх фундаментальных взаимодействий; проверить достоверность новых физических теорий, таких как теория струн (получившая своё развитие в М-теории), теория супергравитации, петлевая квантовая гравитация и другие, существующие в умах своих создателей и «на бумаге», но ещё не имеющих своего экспериментального подтверждения.
Книга Ли Смолина «Неприятности с физикой», вышла именно в то время, когда в мировых СМИ стало появляться всё больше и больше публикаций о неоправдавшихся надеждах, возлагавшихся на современную физику с 70-х годов 20-го века, а также на огромные финансово-материальные ресурсы, затрачиваемые на проведение сложных физических экспериментов с их «нулевой» отдачей фундаментальной науке.
В качестве примера, часто мировые СМИ часто упоминали бюджет проекта БАКА, который на ноябрь 2009 года уже составил 6 млрд долларов, несмотря на то, что официальная стоимость проекта БАК не включает стоимость ранее существовавших в ЦЕРН инфраструктуры и наработок. Так, основное оборудование БАК смонтировано в тоннеле ранее существовавшего коллайдера LEP, при этом использовалось многокилометровое кольцо SPS в качестве предварительного ускорителя. Если бы БАК пришлось строить с нуля, его стоимость оказалась бы гораздо больше.
В книге «Неприятности с физикой», Ли Смолин ещё с большей откровенностью, чем в «Возвращении времен» (написанной раньше на 6 лет!), коснулся наиболее острых проблем современной физики, о которых долгие годы предпочитали умалчивать не только академической науки, но и ведущие физики-теоретики. Учёный откровенно констатирует, что за последние три десятилетия учёные не добились никакого прогресса ни в одной из фундаментальных областей современной физики. Автор книги пишет:
«. История, о которой я буду говорить, могла бы читаться некоторыми как трагедия. Говоря прямо, – и чтобы обозначить линию удара, – мы потерпели неудачу. Мы унаследовали науку, физику, которая прогрессировала настолько быстро и настолько долго, что часто принималась за образец того, как должны действовать другие области науки. На протяжении более чем двух столетий до сегодняшнего времени наше понимание законов природы быстро расширялось. Но сегодня, несмотря на все усилия, то, что мы достоверно знаем об этих законах, не превышает того, что мы знали о них в 1970-е. Насколько необычно то, что на протяжении трех десятков лет в фундаментальной физике не произошло значительного прогресса? Даже если мы посмотрим назад более чем на двести лет, в те времена, когда наука большей частью касалась богатых любителей, это беспрецедентно. По меньшей мере, с конца восемнадцатого века существенный прогресс по ключевым вопросам достигался каждые четверть века. Чтобы быть честным, мы сделали два экспериментальных открытия в последние два десятилетия: что нейтрино имеет массу и что во вселенной доминирует загадочная темная энергия, которая, кажется, ускоряет расширение вселенной. Но у нас нет идей, почему нейтрино (или любая из других частиц) имеет массу или что объясняет величину их массы. Так же и с темной энергией, она не объясняется в терминах любой существующей теории. Поэтому, ее открытие нельзя расценивать как успех, оно наводит на мысль, что имеется некоторый важнейший факт, которого нам всем не хватает. А исключая темную энергию, не было открыто новых частиц, не были найдены новые силы, мы не столкнулись ни с одним новым явлением, которое не было бы известно и понято двадцать пять лет назад.
Не поймите меня неправильно. Последние двадцать пять лет мы определенно были очень заняты. Достигнут гигантский прогресс в приложениях установленных теорий для различных объектов: свойств материалов, молекулярно-физических основ биологии, динамики обширных звездных скоплений. Но когда мы подходим к расширению нашего знания о законах природы, мы не имеем настоящего прогресса. Были исследованы многие прекрасные идеи, и были выдающиеся эксперименты на ускорителях частиц и космологические наблюдения, но они, большей частью, служили для подтверждения существующих теорий. Имелось несколько скачков вперед, но ни одного столь же определяющего или важного, как в предыдущие двести лет. Когда что-то похожее происходит в спорте или бизнесе, это называется упереться в стену. Почему физика вдруг оказалась в затруднении? И что мы можем с этим сделать? Это центральные вопросы моей книги. «.
***
Печально, что и запуск БАКА не оправдал надежд учёных и государств-спонсоров его строительства и поддержки работоспособности. Ничего, по-настоящему серьёзного для современной физики, не принесли и последние 5 лет.
В 2013—2014 гг. проводилась модернизация БАКа, и серьёзные эксперименты на коллайдере практически не проводились. В 2015 году эксперименты возобновились и (с перерывом на зиму) начался сбор статистики протон-протонных столкновений до октября 2016 года, после чего БАК в ноябре и начале декабря около месяца проводил столкновения протонов с ядрами свинца. Далее коллайдер снова был остановлен на зиму (долгая остановка на ремонт и обновление).
В 2017 году технические работы займут первую половину года, а сбор статистики начнётся лишь в начале лета и пройдёт до зимы. Возможно некоторое повышение энергии протонов в пучках. Вопреки наметившейся традиции, согласно которой ежегодно выделяется месяц на ядерные столкновения, такие испытания в этом году проводиться не будут.
Не добившись серьёзных успехов при проведении экспериментов на БАКе, его научный перонал вместе с тем планирует до 2018 года набирать статистику на энергии 13-14 ТэВ и выход на запланированную интегральную светимость. Затем последует остановка БАКа на 2 года для модернизации каскада предварительных ускорителей с целью повышения доступной интенсивности пучков, в первую очередь SPS, а также проведение первой фазы апгрейда детекторов, что позволит повысить светимость коллайдера вдвое. С начала 2021 года до конца 2023 года следует набор статистики на энергии 14 ТэВ, после чего планируется остановка на 2.5 года для значительной модернизации как ускорителя, так и детекторов (проект HL-LHC — High Luminocity LHC. Предполагается повысить светимость ещё в 5-7 раз, за счёт увеличения интенсивности пучков и значительного усиления фокусировки в месте встречи. После запуска HL-LHC в 2026 году набор светимости продлится в течение нескольких лет.
С учётом всех модернизаций БАК проработает до 2034 года, но ещё с 2014 года в ЦЕРНе прорабатываются варианты дальнейшего развития в области физики высоких энергий. Начато изучение возможности строительства коллайдера периметром до 100 км. Проект получил название FCC (Future Circular Collider), он объединяет последовательное создание электрон-позитронной машины (FCC-ee) с энергией 45-175 ГэВ в пучке для изучения Z-, W-, Хиггс-бозонов и t-кварка, а затем, в том же тоннеле, адронного коллайдера (FCC-hh) на энергию до 100 ТэВ.
На все эти «великие планы» учёных потребуются ещё большее количество миллиардом долларов от налогоплательщиков многих стран, так как «виртуальная песочница» по имени БАК и её более дорогие «родственнички» — являются «научно-техническими супермонстрами» с неуемным аппетитом, при фактически полном отсутствии с их стороны практической полезности для фундаментальной науки.
***
В своей книге «Неприятности физики» Смолин не только говорит об утраченном 30-летии для фундаментальной науки, но и ведёт речь о главных проблемах и путях их решения в теоретической физике. Он называет Пять таких Великих Проблемах современной теоретической физики:
Проблема первая
==============
Объединение общей теории относительности (ОТО) Эйнштейна и квантовой теории в единую теорию, которая может претендовать на роль полной теории природы.
Проблема вторая
===============
Проблема обоснований квантовой механики, которую можно реализовать двумя путями:
а) путем придания смысла теории в ее существующем виде;
б) путем изобретения новой теории, которая имеет смысл.
По мнению Смолина имеется несколько различных путей, как это можно сделать:
— обеспечить осмысленный язык для теории, который разрешает все головоломки вроде той, что только что была упомянута, и включает в себя разделение мира на систему и наблюдателя как существенную особенность теории.
— найти новую интерпретацию теории – новый способ прочтения уравнений, – которая реалистична, так что измерение и наблюдение не будут играть роли в описании фундаментальной реальности.
— изобрести новую теорию, такую, которая бы дала более глубокое понимание природы, чем это делает квантовая механика.
Проблема третья
===============
Могут или нет различные частицы и силы быть объединены в теорию, которая объясняет их все как проявление единственной, фундаментальной сущности?
Проблема четвёртая
=================
Как в природе выбираются величины свободных констант в стандартной модели физики частиц? По мнению Смолина, есть большая надежда, что правильная единая теория частиц и сил даст однозначный ответ на этот вопрос.
Проблема пятая
=============
Объяснение сущности и природы темной материи и темной энергии. Или, если они не существуют, определить, как и почему гравитация модифицируется на больших масштабах.Объяснить, почему константы стандартной модели космологии, включая темную энергию, имеют те величины, которые имеют.
«Эти пять проблем представляют границы современного знания. Они являются тем, что бодрит физиков-теоретиков даже по ночам. Все вместе они двигают большую часть текущей работы на переднем крае теоретической физики. Любая теория, которая претендует на звание фундаментальной теории природы, должна ответить на каждую из них. Одна из целей настоящей книги заключается в оценке, насколько хорошо недавние физические теории, такие как теория струн, преуспели в достижении этой цели. Но перед тем, как мы сделаем это, нам необходимо посмотреть на более ранние попытки унификации. Мы должны многому научиться из успехов, – а также и из неудач».
Смолин в «Неприятностях физики» пишет и о роли личности учёных, занимавшихся и занимающихся решением фундаментальных проблем. Упоминает и о таких выдающихся учёных как А. Эйнштейн, Н. Бор, Л. де Бройль и И. Ньютон:
«. История демонстрирует, что разновидность личности, которая становится пророком, временами заурядна, когда ее сравнивают с математически искусными учеными, которые выделяются в решении проблем. Лучшим примером является Эйнштейн, который, очевидно, не смог бы получить приличную работу как ученый, когда он был молод. Он был медлителен в обсуждении, легко путался; другие были намного лучше как математики. Сам Эйнштейн, говорят, заметил: «Не то, чтобы я был такой умный. Дело просто в том, что я дольше обращаю внимание на проблемы». Нильс Бор был даже более экстремальным случаем. Мара Беллер, историк, которая детально изучала его работу, отмечает, что в его исследовательской записной книжке не было ни единого расчета, а только словесные аргументы и картинки. Луи де Бройль сделал изумительное предположение, что, если свет является как частицей, так и волной, возможно, что электрон и другие частицы также ведут себя как волны. Он предложил это в 1924 в тезисах на доктора философии, которые не впечатлили его экзаменаторов и потерпели бы неудачу, если бы не поддержка Эйнштейна. Насколько я знаю, он никогда больше не сделал в физике ничего столь же важного. Имеется только одна личность, о которой я могу думать одновременно как о провидце, так и о лучшем математике своего времени: Исаак Ньютон; на самом деле, почти все, что касается Ньютона, уникально и непостижимо. «.
Источник